（测试计量技术及仪器专业论文）用于二维视觉测量的嵌入式技术（硬件）研究.pdf

摘要 摘要 在生产过程中，为了快速、精确和可靠地测量具有复杂断面工件的尺寸和 其它参数，本课题经过对c c d 成像技术、二维视觉测量技术和微处理器硬件设 计等领域的研究，设计了一种嵌入式二维视觉测量系统。该系统主要由嵌入式 软、硬件系统、c c d 图像传感器和光学成像系统等部分组成。针对嵌入式二维视 觉测量系统的小型化、高可靠性及大数据量运算的特点，本课题采用带有d s p 协处理器、可在4 0 0 e - t z 的主频下工作的高性能p x a 2 5 5 微处理器来实现大数据 量运算，并使用可在i o o m h z 频率下运行的6 4 m b 大容量s d r a m 存储器来实现大 数据量的存取。为了实现系统对多种操作系统的支持，采用u - b o o t 作为系统的 引导程序。 本课题重点解决了可实现大数据量运算和高速运行的嵌入式c p u 选型，以 及高频、高速和具有差分信号的硬件系统设计；实现了包括p x a 2 5 5 处理器、6 4 m b s d r a m 、6 4 惦f l a s h 、u a r t 串口、c p l d 、电源和网络处理器等系统硬件电路的设 计和调试；完成了c p l d 的v h d l 程序设计和b o o t l o a d e r 引导系统的移植。 本嵌入式二维视觉测量系统已达到设计要求，可以实现系统软件的烧录、 稳定运行u - b o o t 引导系统和实现对嵌入式l i n u x 操作系统的引导。只要把系统 测量软件移植到该嵌入式系统硬件平台上，该系统即可实现二维图像非接触测 量。本系统具有操作简单、使用可靠的优点，适用于具有复杂断面的二维图像 视觉测量领域。 关键词：嵌入式系统；u - b o o t 移植；硬件设计：机器视觉 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rq u i c k ，p r e c i s ea n dr e l i a b l em e a s u r e m e n to fw o r k p i e c ew i t hc o m p l e xs e c t i o n s i z ea n do t h e rp a r a m e t e r si nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，a ne m b e d d e d2 - dv i s i o n m e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e da f t e rr e s e a r c h i n go nc c d i m a g i n gt e c h n o l o g y , 2 - d i m a g em e a s u r i n gt h e o r y , h a r d w a r ed e s i g no fs o c c i r c u i ta n ds oo n t h es y s t e mi s m a i n l yc o m p o s e do fe m b e d d e ds o f t w a r es y s t e ma n dh a r d w a r es y s t e m ，c c di m a g e s e n s o ra n do p t i c a li m 姆n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f m i n i a t u r i z a t i o n ， f i n er e l i a b i l i t ya n dv a s td a t a , t h es y s t e mu s e sp x a 2 5 5p r o c e s s o rw o r k i n ga tt h e f r e q u e n c yo f4 0 0 m h zw i t hd s pc o p r o c e s s o rf o rc a l c u l a t i n gv a s t d a t 乱6 4 m b s d r a mm n a i n ga tt h ef r e q u e n c yo f1 0 0 m h za ss y s t e mm e m o r yf o ra c c e s s i n gl a r g e n u m b e r so fd a t a t h es y s t e ma d o p t su - b o o ta sb o o t i n gs y s t e mf o rb o o t i n gd i f f e r e n t e m b e d d e do s t h e r ea r ef i v em a i nt a s k sf i n i s h e di nt h ep r o j e c t f i r s t l y , a ne m b e d d e dp r o c e s s o r i sc h o s e n , w h i c hc a ns p e e d i l yc a l c u l a t ev a s td a t a s e c o n d l y ，h a r d w a r ec i r c u i ts y s t e m o fl l i g hf r e q u e n c y , h i 曲s p e e da n dd i f f e r e n c es i g n a li sd e s i g n e d t h i r d l y , t h es y s t e m p c bi sd e s i g n e da n dd e b u g g e d ，w h i c hi sc o m p o s e do fp x a 2 5 5p r o c e s s o r ，6 4 m b s d r a m ，6 4 m bf l a s h ，u a r t , c p l d ，p o w e ra n dn e t w o r kc i r c u i t f o u _ n h l y , v h d l p r o g r a m i sc o m p l e t e d f i m l l y ，u - b o o tb o o t i n gs y s t e mi sp o r t e d t h ee m b e d d e d2 - dv i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mh a sa c h i e v e dd e s i g nr e q u i r e m e n t t h eu - b o o tb o o t i n gs y s t e mc a nr u ns t a b l yo nt h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m ， d o w n l o a dl i n u xo si n t ot h ef l a s hc h i p sa n db o o tl i n u xo s t h es y s t e mw i l l a c h i e v e2 - di m a g en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tw h e nt h em e a s u r e m e n tp r o g r a mi s p o r e di n t ot h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m i tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fs i m p l e m a n i p u l a t i n ga n dr e l i a b l eu s i n g ，a n di ss u i t a b l ef o r2 - dv i s i o nm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；u - b o o tp o r t i n g ；h a r d w a r ed e s i g n ； m a c h i n ev i s i o n 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：码砍廑j 2 0 。年月c 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：歹马俄国 砂。占年月乡日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 概述 随着光电子和计算机等技术的不断成熟和发展，基于计算机视觉的测量技 术作为一门新兴技术，由于其可实现非接触、实时、在线和高精度的快速检测， 而得到了迅速的发展和广泛的应用。特别是在一些不适合人工作业的危险环境、 大批量工业自动生产过程和其它一些人工测量难以满足要求的场合，机器视觉 测量可望取代人工测量。目前，在自动化生产过程中，机器视觉已经广泛用于 工况监控、成品检验及其他质量控制等领域。以我国p v c - u 门窗和异型材生产 为例，据最近的统计，目前我国异型材生产线已达3 3 0 0 余条，年生产能力1 3 0 万吨，产量超7 0 万吨，组装门窗企业近万家，生产能力超过2 亿立方米。p v c 型材断面复杂多样，测量要素很多。目前p v c 型材生产厂家对型材采用手工抽 检的方法，这种检测方法不能及时发现挤压型材过程中断面参数的变化，预防 废品的产生。为了提高p v c 型材测量的实时性和测量精度，提高生产效益，在 p v c 型材生产过程中采用机器视觉检测的方法非常可行。可以预见，机器视觉 测量系统在我国会有广阔的应用前景。 1 2 二维视觉测量技术发展现状 目前，机器视觉测试机多种多样。从机器视觉的测量方法上分类主要有： 1 激光扫描法测量。需要被测物体运动或者扫描激光头运动，来达到对简 单形状工件的断面测量，如圆形和方形等。例如上海一钢集团公司根据激光扫 描遮光法原理研制开发的激光测径仪可完成对被测钢材测量直径等参数的视觉 测量。 2 结构光法测量。主动光源构成特定结构的照明光束照射被测物体的表面， 用面阵摄像机获得型材断面的全部信息，完成对型材尺寸的测量。但只能对没 有内部结构的型材测量( 如工字钢) 。例如清华大学精密仪器系利用结构光法实 现对异型钢材截面尺寸的视觉测量。 3 摄取截面二维视觉测量方法。通过获得较全面的型材断面图像达到测量 第1 章引言 目的。测量系统由高分辨率图像传感器、远心物镜、环形光源和计算机组成。 可以实现对具有复杂断面被测工件的尺寸等参数测量，包括断面中两直线间的 距离、两点间的距离、两直线间的角度、直线的直线度等参数。例如德国的h i k o 公司开发的集成测量系统，可实现对挤压型材等具有复杂断面工件尺寸的测量。 从测量系统组成结构上分类，典型的机器视觉系统可分为两大类： 1 p c 式机器视觉系统( p c b a s e d v i s i o n s y s t e m ) 。可以达到理想的精度及 速度，能实现较为复杂的系统功能，但尺寸较大、结构复杂，不适应于工业现 场及便携式测量要求。 2 嵌入式机器视觉系统。具有体积小、易维护、易安装、可靠性高( 系统 无机械结构) 和高集成度等特点，可在短期内构建成可靠而有效的机器视觉系 统，从而极大的提高了应用系统的开发速度。随着嵌入式c p u 速度的提高、采 用d s p 等协处理器，以及嵌入式操作系统的应用，嵌入式机器视觉测量系统在 检测速度、测量精度、用户化功能、复杂运算等功能上与p c 式机器视觉系统的 差距将进一步缩小。 视觉测量要在生产过程中达到实用化还要具体情况具体分析，以p v c 型材 断面尺寸测量为例。p v c 型材断面复杂多样，且包含复杂的内腔结构，测量参 数很多的特点决定了其采用二维视觉测量方法比较合适“1 。 国外主要采用型材断面自动视觉测量系统，精度最高可达士o - 0 2 n l l r t 。德国 的h i k o 公司开发的集成测量系统，用于对挤压型材，特别是钢窗用型材断面尺 寸的测量。测量1 2 0 m m x 9 0 m m 尺寸，精度可达o 0 2 n i n 。但售价高，售后服 务不方便，目前不适合中国国情。例如，当国内厂家的p v c 型材断面改变时国 外测量产品不能相应的及时更新。而我国只有一些这方面的研究工作，而未进 入产品开发应用阶段。目前，我国p v c 型材生产厂家对型材多采用手工抽检的 方法。这种检测方法不能及时发现挤压型材过程中断面参数的变化，预防废品 的产生。国内相关的机器视觉企业、公司或科研机构还主要处于代理国外产品 的水平，缺乏自己在关键技术上的突破。 可见，在国内开发具有国际水平的可应用于工业现场的嵌入式机器视觉系统 势在必行。既可以缩小与国外机器视觉行业的差距，又可以实现国内p v c 型材 生产的现场检测，降低企业成本，提高我国工业的自动化水平。相信随着嵌入 第1 章引言 式c p u 的进一步发展，借着我国p v c 型材等工业发展的契机，嵌入式便携视觉 测量系统会有广阔的发展空间。 1 3 课题任务、意义及课题来源 本课题任务：针对嵌入式二维视觉测量的特点和需求设计出专用的嵌入式系 统。具体包括：根据嵌入式二维视觉测量系统的小型化、高可靠性及大数据量 运算的特点，完成嵌入式处理器和s d r a m 等相关硬件的选型；设计系统硬件电 路，完成最终硬件p c b 的制版、焊接和调试，实现所需要的功能。完成c p l d 的v h d l 程序设计。实现b o o t l o a d e r 引导系统移植。 意义：目前二维视觉测量系统主要是基于p c 板卡式的，但随着嵌入式c p u 性能的提高，二维视觉测量系统正在向小型化和高可靠性方向发展。本研究课 题适应了这一趋势，将嵌入式技术、数字图像处理技术以及d s p 技术融入到非 接触视觉测量系统中，丰富了视觉检测系统方面的新技术，设计了一个可应用 于p v c 异型材等具有复杂断面工件检测的视觉检测系统。该系统可以对工件尺 寸和其它参数精确、快速和可靠的测量。 本视觉测量系统可广泛用于对p v c 异型材等具有复杂机械零件断面检测的 非接触测量等领域。可明显提高企业的产品合格率，降低企业成本，提高我国 工业的自动化水平。由于本视觉测量系统的非接触测量、精度高和可靠性强( 无 硬盘，光驱等机械结构) 等突出的优点，可在各领域得到广泛的应用，有望取 得一定的经济与社会效益。 本课题项目来源于北京市教委科技发展计划项目( 砌舵0 0 3 1 1 2 3 2 1 3 3 ) ，北京 市重点实验室( “机电系统测控”) 开放项目资助。 1 4 小结 首先分析了机器视觉在自动生产过程中所具有的应用价值，并从测量方法和 系统结构上对二维视觉测量技术加以阐述。在此基础上，针对嵌入式二维视觉 测量系统的小型化、高可靠性及大数据量运算的特点，本文提出了一种体积小、 功耗低、功能强大、可靠性高和使用方便的嵌入式视觉测量系统。之后从该系 统具有的意义上分析了其具有的应用价值和推广前景。同时给出了本课题所完 第1 章引言 成的任务，即采用i n t e l 带有d s p 协处理器的p x a 2 5 5 高性能微处理器和其它器 件，设计出一种可提供u a r t 、网络、i i c 和u s b 等丰富外设接口的嵌入式视觉 测量硬件系统。该系统可广泛应用于塑钢门窗等具有复杂断面工件的视觉检测 中。 第2 章系统工作原理及系统构成 第2 章系统工作原理及系统构成 嵌入式二维视觉测量系统的测量对象往往具有复杂的断面结构( 如图2 1 所 示) ，要测量壁厚、直线度、平行度、垂直度和角度等多种形位参数。因此要求 测量系统具有非常高的数据吞吐量和数据运算能力。对系统的嵌入式c p u 性能、 s d r a l 内存大小、c c d 图像传感器分辨率、测试现场光照、嵌入式操作系统和嵌 入式软件等条件提出了很高的要求。此外，系统图像处理算法的好坏也对系统 的性能起到至关重要的作用。可见，嵌入式二维视觉测量系统设计是一个综合 的过程。 下面将结合本课题介绍系统工作原理和系统构成。 2 1 系统工作原理 系统工作时，首先利用c c d 图像传感器对被测物体进行摄像，得到如图2 1 所示工件断面图像。再对工件图像边缘检测，得到如图2 2 所示工件外廓。之后 对图像外廓像素信息进行处理，得出以像素为单位的工件边缘位置信息。如果 要得到工件的实际尺寸，还必须建立数字图像像素与实际尺寸的对应关系。本 方案首先采用一个具有精确尺寸的标定块对系统进行标定，得出数字图像像素 与实际尺寸的对应关系。再通过在图像中找出被测工件的壁厚和弧度等被测对 象。进而得出被测工件的实际尺寸。处理结果及图像通过l c d 液晶显示屏本地 显示或通过网络和串口等发送给客户端。 图2 1 复杂工件断面图2 2 边缘检测后提取的工件外廓 2 2 系统构成 该嵌入式二维视觉测量系统系统整体上主要由图像采集系统、嵌入式硬件系 统和系统软件等3 部分组成。系统总体结构框图见图2 3 。 5 第2 章系统工作原理及系统构成 附 图2 3 系统结构框图 2 2 1 图像采集系统 1 c c d 图像传感器 系统采用工业级1 3 英寸面阵c c d 图像传感器，分辨率为1 0 2 4 7 6 8 ，像敏区 面积为5 8 0 m m x 4 9 2 m m ，可以很好的满足系统对高分辨率和高图像采集速度的 要求。 2 物镜 物镜的选择对系统来说也很重要。首先，物镜的成像面一定要与c c d 图像传 感器的像敏区相匹配。另外如焦距、景深、视场和最小工作距离等也很重要。 从结构小型化和测量精度等方面考虑，尽可能选择最小工作距离较小、视场较 大、景深较大且畸变较小的物镜。为与本系统已采用c c d 的参数相匹配，这里 采用焦距为2 5 m m 的低畸变物镜。 3 光源 一个稳定可靠的处理系统，不能仅局限于在实验室里获得优质影像，重要的 是在实际的生产现场持续获得高质量，高对比度的影像。因为与实验室不同， 生产现场环境会出现各种变化，如环境光线的变化、被测物体表面状况、材质 和倾斜角度的变化等。为保证系统的稳定性，提高照明光源的品质是很重要的。 本系统采用环形l e d 光源，其将l e d 以非常高的密度排列成伞状结构，照明区域 的中心可以获得高的光照度，并具有使用寿命长、反应时间短等特点。为避免 周围环境光源对系统的影响，使用不透明的防护罩以防干扰。 图像采集系统不是本课题重点，这里仅简单介绍。 2 2 2 系统硬件 嵌入式硬件系统设计是本课题的重点和难点之一。该系统硬件主要由嵌入式 第2 章系统工作原理及系统构成 处理器、s d r a m 内存单元、f l a s h 程序存储器和c p l d 等功能模块组成。这里 将介绍部分重点功能单元电路的设计和芯片选择方案。各电路功能的详细分析 和阐述将在第三章予以介绍。 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是实现系统功能的核心，庞大的图像数据处理和系统资源的调 度与分配都由该部分完成。嵌入式处理器的选择主要考虑以下几个方面： 首先应具有强大的运算功能，最好具有d s p 硬件处理电路。目前可选的型号 有美国t i 公司的t m s 5 0 0 0 系列、t m s 6 0 0 0 系列和t m s 3 2 0 d s c 2 x 系列d s p 处理器。还 有美国i n t e l 公司的x s c a l e 系列的p ) ( a 2 5 5 处理器“1 。 其次支持w i n c e 、l i n u x 、u c o s 和v x w o r k s 等常用的嵌入式操作系统，方便软 件移植和开发，以减少软件开发时间。如果希望使用w i n c e 或l i n u x 等操作系统 以减少软件开发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n t u n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、s t r o n g a r m 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 6 t 都 带有m m u 功能。而a r m t t d m i 没有u ，不支持w i n d o w sc e 和大部分的l i n u x ，但目 前有u c l i n u x 等少数几种l i n u x 不需要m m u 的支持。目前可选的型号有韩国三星公 司$ 3 c 2 4 1 0 处理器和其它公司的带m m u 功能的a r m 处理器。而t i 公司的t m s s 0 0 0 系 列和t m s 6 0 0 0 系歹i j d s p 处理器虽然具有强大的数据处理能力，但其却不支持w i n c e 和嵌入式l i n u x 系统，因此不在选择之列。 再次要具有丰富的外设接口，如u s b 、i i c 、u a r t 、i r d a 和l c d 等接口电路。 方便系统功能的扩展。 最后该嵌入式处理器要应用较广，可方便购买和焊接调试。 综合考虑后，本系统选择了带有d s p 协处理器的p x a 2 5 5 处理器，其带有m m u 存储器管理单元可以运行w i n c e 和l i n u x 等目前常用的嵌入式操作系统，并且具 有丰富的接口功能。p x a 2 5 5 处理器是i n t e l 公司生产的一种低功耗、高性能的基 于x s c a l e 微构架的嵌入式处理器。x s c a l e 微架构处理器采用v 5 t e 内核，具有如 下特点：采用7 级超级流水线；支持多媒体处理技术，整合了特定d s p 协处理器 c p o ；中断控制器和总线控制器：3 2 k 数据缓存和3 2 k 指令缓存；存储器管理单元 m m u ；动态电源管理等。p x a 2 5 5 为3 2 位存储器总线：主频4 0 0 m h z ；典型功耗4 0 0 r o w 。 外部可接s d r a m 、f l a s h 和p c m c i a 等设备。片上还有很多外设接口，包括3 个u a r t 异步串行接口，1 个u s b 从口，1 个i i c 总线接口和一个l c d 接口等等。很多接口可 通过设置内部寄存器来复用为g p i o 端口或中断源。另外，p x a 2 5 5 还提供一个j t a g 第2 章系统工作原理及系统构成 调试接口，可以方便的实现电路板硬件调试和系统软件调试。”。 2 s d r a m 系统内存 由于系统要求有很高的数据吞吐量，所以操作系统和应用程序不能直接运行 于f l a s h 上( f l a s h 读写速度慢，其读写速度只有大约1 0 m b s ) ；而只能选择 s d r a m 这一具有较高数据读写速度的芯片( 其读写速度可以达至t j l 0 0 m b s ) 。并 采用6 4 m b 容量来满足嵌入式l i n u x 操作系统和应用程序的快速运行。 2 2 3 系统软件 系统软件主要分为b o o t l o a d e r g i 导系统、嵌入式操作系统和嵌入式应用程 序。其中嵌入式操作系统和嵌入式应用程序部分不是本课题重点，这里不作详 细介绍。b o o t l o a d e r 弓l 导系统的分析、选取和移植是本课题的一个研究重点，但 本章仅作简单介绍，详见第四章。 1 嵌入式操作系统和嵌入式应用程序 采用嵌入式l i n u x 操作系统和k d e v e l o p 集成开发环境来开发应用程序“1 。 2 b o o t l o a d e r 弓i 导系统 采用u b o o t i jl 导系统来实现对嵌入式l i n u x 操作系统的引导。 2 3 小结 结合嵌入式二维视觉测量系统测量对象所具有的复杂断面结构和多种被测 参数的特点，本章对系统需求进行了一定的分析。阐述了系统测量流程和系统 工作原理。最后介绍了系统的整体结构设计，对其分为图像采集系统、嵌入式 硬件系统和系统软件等3 个部分加以分析和阐述。详细说明了其中的图像处理 电路，特别是对嵌入式处理器选型进行了更为具体的分析。 第3 章系统硬件设计 第3 章系统硬件设计 本系统作为一种专用于二维视觉测量的嵌入式系统，同样也具有计算机系统 的中央处理器、存储器和输入输出手段三大部分，以及将这三大部分连接起来 的“系统总线”。同时，嵌入式系统所要求的可靠性和稳定性的特点，对系统硬 件电路设计以及p c b 布局、布线也提出了较高的要求。 系统硬件电路系统框图如图3 1 所示。系统“中央处理器”采用i n t e l 公司的 4 0 0 m h z 主频且带有d s p 协处理器的p x a 2 5 5 处理器；存储器部分采用6 4 m bf l a s h 作 为系统程序存储器、6 4 m bs d r a m 作为系统内存；输入输出部分由l c d 、u s b 、网 络、u a r t 串口和c p l d 控制的按键开关组成。系统采用标准6 层p c b 电路板结构来 提高系统信号质量、增加系统稳定性、减小系统尺寸和提高系统电磁兼容性 ( e m c ) 。 图3 1 硬件电路系统框图 系统硬件、b o o t l o a d e r 弓i 导系统和嵌入式l i n u x 操作系统简要工作原理及启 动流程。 曰曰 一 甲 第3 章系统硬件设计 i 系统上电后首先由m a x 8 2 3 t e u k 复位芯片来产生复位信号，使c p u 、网络芯 片等设备复位。 2 c p u 根据b o o ts e l o ，1 ，2 引脚的电平状态来决定c p u 所接的外部f l a s h 的工作方式。 3 c p u 指针跳转到o 地址来执行第一条指令。对p x a 2 5 5 而言，o 地址位于f l a s h 中。接着进一步执行f l a s h 中的u b o o t 程序完成对系统硬件( 如s d r a m 、串口等 设备) 的初始化。 4 启动l i n u x 系统内核和文件系统，运行用户程序，实现系统功能。 下面将对系统c p u 、s d r a m 、网络、系统电源和c p l d 等部分重要功能电路设计 加以详细分析和阐述。 3 1c p u 和复位单元电路设计 p x a 2 5 5 处理器是i n t e l 公司生产的一种低功耗、高性能的基于x s c a l e 微构架 的嵌入式处理器。具有如下特点：采用7 级超级流水线：支持多媒体处理技术； 集成特定d s p 协处理器c p o 、中断控制器和总线控制器、3 2 k 数据缓存和3 2 k 指令 缓存、存储器管理单元m m u 和动态电源管理等功能模块。p x a 2 5 5 为3 2 位存储器总 线；主频4 0 0 m h z ；典型功耗4 0 0 m w 。外部可接s d r a m 、f l a s h 和p c m c i a 等设备。片 上还有很多外设接口，包括3 个u a r t 异步串行接口，i + u s b 从口，1 个i i c 总线接 口，一个l c d 接口等。另外，p x a 2 5 5 还提供一个j t a g 调试接口，可以方便实现电 路板硬件调试和系统软件调试。这里由于p x a 2 5 5 处理器内核工作电压为1 3 6 1 ， 外设为3 3 4 1 。所以外部器件全部选择可在3 3 伏电压下工作的低功耗器件来保 证系统的低功耗和器件间的电平兼容。p x a 2 5 5 处理器电路见图3 2 和图3 3 。 复位对于一个系统非常重要，系统中各个单元要进入正常工作状态，需要可 靠的复位。嵌入式系统的复位电路应具有上电复位、手动复位功能和很好的抗 噪声干扰性能。在本设计中，通过采用m a x i m 公司的微处理器专用复位芯片 m a x 8 2 3 t e u k 可以很好的满足系统要求。 a x 8 2 3 t 叫k 在3 3 v 电压下工作，具有 系统上电复位及手动复位的功能。当v c c 达到3 0 8 v 的阈值2 0 0 m s 后，n r e s e t 引脚由高电平变为低电平，引起系统复位；当按s 1 复位按键时，同样在2 0 0 m s 后引起系统复位。其工作电流仅为6 u a ，可以很好的满足设计中低功耗的要求。 复位电路见图3 3 。 第3 章系统硬件设计 图3 2p x a 2 5 5 微处理器a 部分电路 图3 3p x a 2 5 5 微处理器b 部分和复位电路 第3 章系统硬件设计 3 2s d p j 嘲存储器单元电路设计 因为p x a 2 5 5 微处理器内核频率可以达到4 0 0 姗z ，所以外部必须有高速程序 和数据存储器与其匹配。s d r a m ( 同步动态随机访问存储器) 具有价格低廉、密 度高、数据读写速度快等优点。但是s d r a m 存储体结构复杂、其时序和机制也比 较复杂，p x a 2 5 5 微处理器内部带有s d r a m 控制器，可以实现与s d r a m 的透明接口。 系统内存具有6 4 m bs d r a m 。由2 片1 6 位的三星k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 芯片( 每片3 2 m b ) 组成 3 2 位数据总线接口。可实现在1 0 0 m h z 频率下对s d r a m 进行3 2 位读写。三星 k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 内存芯片主要信号有控制信号、地址信号和数据信号，均为与系统 时钟同步的输入输出信号。 控制信号主要有：c s ( 片选信号) ，c k e ( 时钟使能信号) ，d q m ( 输入、输 出使能信号) ，c a s 、r a s 、w e ( 读写控制命令字) 。其中u 1 6 、u 1 7 的c s 、c k e 、c a s 、 r a s 和n w e 引脚接到p x a 2 5 5 对应的n s d c s o 、s d c k e l 、n s d c a s 、n s d r a s 和n w e 引脚上， 实现片选和行列读写控制。u 1 6 的l d q m 、u d q m 接p x a 2 5 5 的d q m o 、d q m l ，u 1 7 的l d q m 、 u d q m 接p ) ( a 2 5 5 的d q m 2 、d o m 3 保证s d r a m 的低1 6 位和高1 6 位数据的输入、输出。 地址信号有：b a o 和b a i 页地址选择信号，a o a 1 2 地址信号，行、列地址选 择信号。通过分时复用决定地址是行地址还是列地址。在读写操作中，在地址 线上依次给出页地址、行地址、列地址，最终确定存储单元地址。 数据信号有：d q o - - d q 3 1 ，u 1 6 、u 1 7 每片有1 6 位数据位，共同并联组成数据 的低1 6 位和高1 6 位双向数据。存储器电路见图3 4 。 图3 4s d r a m 存储器电路 1 2 第3 章系统硬件设计 3 。3f l a s h 存储器单元电路设计 n o rf l a s h ：6 4 m b y t e 存储器( 共4 片i n t e le 2 8 f 1 2 8 组成，其中每2 片i n t e l e 2 8 f 1 2 8 组成3 2 位3 2 m b 存储器) ；n o r f l a s h 的特点是芯片内执行( x i p ，e x e c u t e i np l a c e ) ，这样应用程序可以直接在f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系 统r a m 中。c p u 通过2 3 根地址线并行3 2 位访问6 4 她f l a s h 数据。通过n r e s e t 信号 对f a l s h 进行复位。f l a s h 存储器电路见图3 5 。 图3 5f l a s h 存储器电路 3 4 网络单元电路设计 该部分电路在系统中具有重要地位。通过网络接口，系统读取c c d 图像传感 器采集的被测工件图像，并与其它客户端实现数据共享。采用c i r r u sl o g i c 公 司生产的c s 8 9 0 0 a 芯片，内部集成了在片内r a m 、i o b a s e - t 收发滤波器，并且 提供8 位和1 6 位两种接口。c s 8 9 0 0 a 所需的复位信号与姒x 8 2 3 t e u k 产生的复位 信号逻辑相反，这里利用一片c p l dx c r 9 5 1 4 4 来产生非门功能使其反相输出， 实现c s 8 9 0 0 a 的复位。c s 8 9 0 0 a 采用1 6 位i o 读写模式，基地址为3 0 0 h ，地址 线除了s a i ，s a 2 ，s a 3 外都接地。a e n 、n i o w 和n i o r 引脚分别接到p x a 2 5 5 的 相应管脚n w e 、n o e 和n c s 2 上。偏置电阻r 4 4 为4 9 9 k q 、误差l 的精密电阻， 用于为芯片内部模拟电路提供偏压。u 1 2 是脉冲变压器，在c s 8 9 0 0 的前端对网 络信号进行脉冲波形变换。j 9 为i o m 标准以太网接口r j 4 5 插槽。网络通讯电路 第3 章系统硬件设计 见图3 6 。 图3 6 网络功能单元电路 3 5 触摸屏单元电路设计 触摸屏已成为现代嵌入式设备人机交互的重要输入设备。这里采用 b u r r - b r o w n 公司的a d s 7 8 4 6 芯片，a d s 7 8 4 6 是新一代的工业标准4 线触摸屏控制 器，其内部集成多路低导通电阻模拟开关组成的供电一测量电路网络、1 2 位逐 次逼近a d 转换器和异步串行数据输入输出单元。引脚x + 、y + 、x 一、y 一 为触摸屏电极模拟电压输入；n c s 为a d s 7 8 4 6 的片选输入信号，低电平有效： d c l k 接外部时钟输入，为芯片进行a d 转换和异步串行数据输入输出提供时 钟；d i n 串行数据输入端，当n c s 低电平时，输入数据在时钟的上升沿将串行 数据锁存；d o u t 串行数据输出端，在时钟下降沿数据由此移位输出，当n c s 为 高电平时，d o u t 呈高阻态。b u s y 为系统忙标志端，当n c s 为低电平且b u s y 为高 电平时，表示a d s 7 8 4 6 正在进行数据转换；n p e n i r q 为笔触中断，低电平有效。 图3 7 为a d s 7 8 4 6 触摸屏控制器与p x a 2 5 5 微处理器的硬件连线图。当屏触事件发 生时，a d s 7 8 4 6 向p x a 2 5 5 发出中断请求，由p ) ( a 2 5 5 响应该中断请求，启动通 信过程，读取a d s 7 8 4 6 的转换结果，从而得到触摸点的坐标。a d s 7 8 4 6 各信号的 时序受外部输入时钟信号频率的影响，一旦外部输入时钟频率固定，各信号的 时序便完全确定，因此需要配置p x a 2 5 5 的接口信号时序，使之完全符合a d s 7 8 4 6 第3 章系统硬件设计 的时序。电容c 4 0 、c 4 1 、c 4 2 和c 4 3 避免触摸笔抖动引起误操作。 图3 7 触摸屏电路 3 6j t a g 接口单元电路设计 p x a 2 5 5 具有i e e e l l 4 9 1 协议兼容的j t a g 接口，通过该j t a g 接e l 可以对目 标系统进行测试和调试，也可以对目标系统的存储单元( f l a s h ) 编程。本7 t a g 调试电路采用a r m2 0 针标准定义，可用于连接t e c h o r l c e 系列a r m 仿真器调试。 p x a 2 5 5 引脚j t a g _ n t r s t 接上拉电阻r 3 4 ( 1 5 k 欧姆) ，防止由于外部干扰引起 p x a 2 5 5 误复位。引脚j t a g _ t c k 接下拉电阻r 5 5 ( 1 5 k 欧姆) 保证驱动。c 3 5 为 去耦电容，滤掉高频噪声。f f t a g 调试电路见图3 8 。 图3 8j t a g 调试电路 第3 章系统硬件设计 3 7 电源单元电路设计 电源设计是本系统的重点也是难点之一。很多系统不稳定的因素或故障都是 由于电源方面的设计而造成的。电源由5 v 电压输入，经两级电压调整得到系统 各部分所需电压。一级降压采用l i n e a r 公司的l t l 0 8 6 一c m 3 p 3 低压差线性电压源 ( l d o ) 调整输出3 3 v 电压，为整个系统供电。电容c 5 6 ，c 5 9 滤掉电源的工频噪 声，c 5 4 提高l t l 0 8 6 的稳定性和瞬时响应。电阻r 4 9 调试系统电源时使用。二级 降压采用l i n e a r 公司的l t c 3 4 0 4 高效率、大功率开关电源把3 3 v 电压调整为 1 2 4 v 电压输出，为p x a 2 5 5 微处理器内核供电。这里不能简单的采用l d o 从3 3 v 电源处获得1 2 v 电压，那样的效率只有i 2 3 3 = 3 6 ，而采用l t c 3 4 0 4 开关电 源，则效率可以达到9 1 。这里的l t c 3 4 0 4 输出电压计算公式如下：v c c _ c o r e = o 8 ( 1 + r 1 3 8 r 1 3 7 ) = 1 2 4 v 。但开关电源的开关频率会给系统带来干扰，纹波 也比较难控制，这里采用电容c 6 9 ，c 9 4 和c 9 5 等器件改善系统性能，最后得到稳 定的1 2 4 v 电压。电源电路见图3 9 。 图3 9 电源电路 3 8c p l d 可编程单元电路设计及v h d l 程序设计 c p l d ( 复杂可编程逻辑电路) 是一种具有丰富的可编程i o 引脚的可编程逻 辑器件，具有在系统可编程、使用方便灵活的特点；不但可实现常规的逻辑器 件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能。把c p l d 应用于嵌入式应用系统，同 p x a 2 5 5 处理器结合起来，更能体现其在系统中可编程、使用方便灵活的特点。 第3 章系统硬件设计 c p l d 同p x a 2 5 5 微处理器接口，可以作为p x a 2 5 5 的一个外设，实现p x a 2 5 5 微处理 器所要求的功能。例如，实现常用的地址译码、锁存器、8 2 5 5 等功能；也可实 现加密、解密及扩展串行口等p x a 2 5 5 微处理器所要求的特殊功能。实现嵌入式 应用系统的灵活性，也提高了嵌入式应用系统的性能。c p l d 电路见图3 1 0 。 系统采用x i l i n x 的x c r 9 5 1 4 4c p l d 来实现系统硬件的逻辑控制。x i l i n x 公司 的x c 9 5 0 0 系列可编程逻辑器件是一款高性能的可编程逻辑器件。从结构上看， 它包含三种单元：宏单元、可编程i o 单元和可编程的内部连线。它的主要特点 是： 1 在所有可编程引脚之间p i n p i n 延时最短可为5 n s ；系统的时钟速度可达 到i o o m h z 。 2